高速電主軸用脂潤(rùn)滑軸承性能試驗(yàn)

李澤強(qiáng)，潘奔流，王健，田云芳,張海鵬

(1.洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003;3.中航鋰電(洛陽(yáng))有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

機(jī)床主軸高速化是近年來(lái)機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)，軸承是電主軸高速可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)核心部件。電主軸軸承的潤(rùn)滑方式主要有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和油氣潤(rùn)滑。其中，油氣潤(rùn)滑可以提高軸承的承載能力、運(yùn)轉(zhuǎn)速度、使用壽命和適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的能力，極大地降低了潤(rùn)滑劑的消耗，但其采用壓縮空氣，噪聲較大，需要專(zhuān)用氣源，初始裝機(jī)投資較大[1-2]；油霧潤(rùn)滑允許的極限轉(zhuǎn)速高，且更換潤(rùn)滑油簡(jiǎn)單，故目前高速電主軸軸承大都采用油霧潤(rùn)滑，但其油路設(shè)計(jì)復(fù)雜，尾氣如不加以回收，對(duì)環(huán)境污染較為嚴(yán)重[3]；而采用脂潤(rùn)滑可以省去油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)所需的油箱、油泵、油管及傳動(dòng)部件等，使?jié)櫥到y(tǒng)大大簡(jiǎn)化，但是脂潤(rùn)滑軸承極限轉(zhuǎn)速低[4]。國(guó)外已經(jīng)成功應(yīng)用潤(rùn)滑脂對(duì)高速陶瓷球軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，國(guó)內(nèi)在這方面的研究報(bào)道不多。為此，在高速主軸軸承試驗(yàn)臺(tái)上分別在油霧潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑下對(duì)軸承進(jìn)行高速性能試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析轉(zhuǎn)速、載荷、溫升的相互關(guān)系來(lái)研究脂潤(rùn)滑主軸軸承的高速性能，為脂潤(rùn)滑軸承在高速電主軸上使用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)軸承

試驗(yàn)軸承為高速磨削電主軸用角接觸陶瓷球軸承B7005C/HQ1P4，其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架

本次試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)上完成，所用試驗(yàn)裝置原理如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)以最高速度為60 000 r/min的電主軸作為驅(qū)動(dòng)，采用變頻器調(diào)節(jié)和控制轉(zhuǎn)速。用自行設(shè)計(jì)的專(zhuān)用液壓缸進(jìn)行軸向和徑向加載，選用4支JM608V-PT100一體化溫度傳感器分別測(cè)量加載軸承和試驗(yàn)軸承的外圈溫度，通過(guò)YD-3加速度傳感器檢測(cè)機(jī)體振動(dòng)，所有信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器接入計(jì)算機(jī)并通過(guò)軟件進(jìn)行控制和處理。

圖1 試驗(yàn)裝置原理圖

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

在油霧潤(rùn)滑和脂潤(rùn)滑下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每種潤(rùn)滑方式選用8套軸承，每次試驗(yàn)2套。試驗(yàn)軸承和加載軸承均采用循環(huán)水冷卻，冷卻水溫度為15 ℃。潤(rùn)滑脂為L(zhǎng)252；油霧潤(rùn)滑的潤(rùn)滑油為32#汽輪機(jī)油，潤(rùn)滑油壓為0.4 MPa，油滴量為30滴/min。通過(guò)試驗(yàn)得到不同轉(zhuǎn)速和不同載荷下軸承溫升與轉(zhuǎn)速、載荷之間的變化關(guān)系，以軸承的外圈溫升為參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。

試驗(yàn)共分2個(gè)部分：首先考察轉(zhuǎn)速對(duì)軸承性能的影響，在Fa=100 N，F(xiàn)r=50 N條件下，轉(zhuǎn)速由10 000 r/min逐漸升至50 000 r/min，每小時(shí)升高5 000 r/min，轉(zhuǎn)速變化如圖2a所示；然后考察在10 000，40 000和50 000 r/min下不同載荷對(duì)軸承性能的影響，分別在軸向載荷固定(Fa=250 N)、徑向載荷變化和徑向載荷固定(Fr=150 N)、軸向載荷變化2種工況下進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速變化如圖2b所示，加載載荷譜如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3 試驗(yàn)加載曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 不同轉(zhuǎn)速下軸承性能試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)得到每套軸承在每種轉(zhuǎn)速下的溫升穩(wěn)定值，對(duì)8套軸承的溫升穩(wěn)定值取平均值并進(jìn)行對(duì)比分析[5]，軸承溫升隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖4所示。

圖4 軸承溫升隨轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖4可知，軸承溫升隨轉(zhuǎn)速提高而迅速變大。在載荷、轉(zhuǎn)速、時(shí)間相同的情況下，脂潤(rùn)滑軸承外圈溫升比油霧潤(rùn)滑軸承外圈溫升要大，但是在轉(zhuǎn)速高于25 000 r/min或dmn值大于0.9×106mm·r/min時(shí)，2條溫升曲線基本上保持平行，溫升相差不超過(guò)3 ℃。

2.2 高速變載試驗(yàn)

對(duì)8套軸承的溫升穩(wěn)定值取平均值進(jìn)行對(duì)比分析。在恒轉(zhuǎn)速下軸承溫升隨軸向載荷變化曲線如圖5 所示，隨徑向載荷變化曲線如圖6所示。

由圖5可知，在恒轉(zhuǎn)速下軸承溫升均隨著軸向載荷的增加而變大；軸向載荷從150 N提升到400 N，轉(zhuǎn)速為10 000 r/min時(shí)，脂潤(rùn)滑軸承溫升比油霧潤(rùn)滑軸承溫升約小1.9 ℃；轉(zhuǎn)速為40 000 r/min時(shí)，2條曲線基本重合，脂潤(rùn)滑軸承溫升比油霧潤(rùn)滑軸承溫升約大0.2 ℃；轉(zhuǎn)速為50 000 r/min時(shí)，油霧潤(rùn)滑稍好于脂潤(rùn)滑，其溫升相差約1 ℃。

圖6與圖5所示的軸承溫升曲線趨勢(shì)基本相同，2種潤(rùn)滑方式下軸承的溫升在轉(zhuǎn)速為10 000，40 000和50 000 r/min時(shí)相差分別約為1.5，0.8和2 ℃。

綜合圖5和圖6可知，無(wú)論是徑向變載還是軸向變載，在轉(zhuǎn)速低于40 000 r/min或dmn值小于1.44×106mm·r/min時(shí)，采用脂潤(rùn)滑的軸承溫升比油霧潤(rùn)滑的軸承溫升小，這主要是由于潤(rùn)滑脂的黏度比潤(rùn)滑油的黏度大，更容易形成潤(rùn)滑油膜；而在轉(zhuǎn)速高于40 000 r/min或dmn值大于1.44×106mm·r/min時(shí)，油霧潤(rùn)滑的軸承溫升要小于脂潤(rùn)滑的軸承溫升。

圖5 軸承溫升隨軸向載荷變化曲線

圖6 軸承溫升隨徑向載荷變化曲線

3 結(jié)論

(1) 在穩(wěn)定的載荷作用下，軸承溫升隨轉(zhuǎn)速提高而迅速變大，并在轉(zhuǎn)速高于25 000 r/min或dmn值大于0.9×106mm·r/min時(shí)，2種潤(rùn)滑方式下的溫升曲線基本上保持平行。

(2) 在恒轉(zhuǎn)速下，無(wú)論是徑向變載還是軸向變載，脂潤(rùn)滑和油霧潤(rùn)滑陶瓷球軸承溫升均隨載荷的增加而變大，并且在相同條件下兩者的溫升值很接近。

(3) 在循環(huán)水冷卻的條件下，轉(zhuǎn)速低于40 000 r/min或dmn值小于1.44×106mm·r/min時(shí)，高速電主軸可以使用脂潤(rùn)滑陶瓷球軸承，從而使?jié)櫥到y(tǒng)大大簡(jiǎn)化，并減少污染。